引言(yan)
　　在工業(ye)生産和(he)科研測(ce)量中，經(jing)常遇到(dao)小流量(liang)、低雷諾(nuo)數的流(liu)量測量(liang)。浮子流(liu)量計由(you)于具有(you)靈敏度(du)高，測量(liang)範圍寬(kuan)，壓力損(sun)失較小(xiao)且恒💚定(ding)，測❗量❄️介(jie)質種類(lei)多，工作(zuo)可靠，維(wei)護簡便(bian)，對儀表(biao)🥰前直管(guan)段要求(qiu)不高等(deng)優⚽點，已(yi)被廣泛(fan)應用。
　　浮(fu)子流量(liang)計的浮(fu)子位移(yi)與流量(liang)之間存(cun)在明确(que)對應✏️的(de)函數關(guan)系，測出(chu)浮子位(wei)移即可(ke)确定流(liu)量大小(xiao)。金屬管(guan)浮子流(liu)量計(以(yi)下簡稱(cheng)流量計(ji))可以連(lian)續測量(liang)封閉管(guan)道内液(ye)體、氣🛀體(ti)或蒸汽(qi)的流量(liang)，既能就(jiu)地指示(shi)，又能遠(yuan)傳信号(hao)，可實現(xian)流量測(ce)量值的(de)遠距離(li)顯示、記(ji)錄、計算(suan)、調節控(kong)制等功(gong)能，因此(ci)廣泛應(ying)用于石(shi)油、化工(gong)、能源、冶(ye)金、醫藥(yao)、輕工、國(guo)防等部(bu)門的流(liu)量檢測(ce)及過🌈程(cheng)控制。由(you)于流量(liang)計的浮(fu)子位移(yi)不能直(zhi)接讀出(chu)🆚，所以将(jiang)磁鋼封(feng)入浮子(zi)内，由設(she)在轉換(huan)器内的(de)磁藕合(he)機構得(de)到浮子(zi)位移，并(bing)由位移(yi)傳感🌈器(qi)将與流(liu)量對應(ying)的浮子(zi)位移轉(zhuan)換成電(dian)信号☎️，以(yi)實現遠(yuan)傳輸出(chu)。目💛前常(chang)用的位(wei)移傳感(gan)器有兩(liang)種:差動(dong)變壓器(qi)式傳感(gan)器和電(dian)容式角(jiao)位移傳(chuan)感器。但(dan)是使用(yong)這兩種(zhong)位移傳(chuan)感器要(yao)獲得與(yu)流量對(dui)應的位(wei)移信号(hao)，需要通(tong)過磁鋼(gang)藕合📐以(yi)及相應(ying)的四連(lian)杆、凸輪(lun)等機械(xie)機構進(jin)行非線(xian)性修正(zheng)和傳❌動(dong)來實現(xian)，這就會(hui)造成轉(zhuan)換🚩器傳(chuan)動環節(jie)🍉多、結構(gou)複雜、存(cun)在摩擦(ca)力、回差(cha)增大，從(cong)而降低(di)流量計(ji)的測量(liang)精度。因(yin)此無法(fa)實現流(liu)量計的(de)轉換器(qi)全電子(zi)🌈化、小型(xing)化以及(ji)在此基(ji)礎上的(de)智能化(hua)。爲此，推(tui)出采用(yong)霍爾❄️傳(chuan)感器檢(jian)測㊙️浮子(zi)位移、利(li)用16位⛷️低(di)功耗✍️單(dan)片機作(zuo)爲核心(xin)處理器(qi)的智能(neng)流量🤟計(ji)。
2系統構(gou)成原理(li)
　　該流量(liang)計采用(yong)線性霍(huo)爾傳感(gan)器檢測(ce)浮子位(wei)移，配合(he)單🔴片機(ji)應用系(xi)統，完全(quan)去掉了(le)磁鋼禍(huo)合、非線(xian)性💜修正(zheng)及傳💚動(dong)等機械(xie)機構。其(qi)工作原(yuan)理如圖(tu)1所示。

　　當(dang)被測流(liu)體自下(xia)而上流(liu)過錐管(guan)時，浮子(zi)産生位(wei)移，通過(guo)線性霍(huo)爾傳感(gan)器的磁(ci)力線角(jiao)度就會(hui)發生變(bian)⭕化，從而(er)使霍爾(er)傳感💰器(qi)輸出相(xiang)應電壓(ya)。該輸出(chu)電壓輸(shu)入到單(dan)片機應(ying)用系統(tong)進行處(chu)理後，可(ke)輸出與(yu)流量對(dui)應的标(biao)準電流(liu)信号，也(ye)可通過(guo)标準通(tong)信接口(kou)進行數(shu)據遠程(cheng)交換。
　　在(zai)流量計(ji)的轉換(huan)器中對(dui)應浮子(zi)位移範(fan)圍中間(jian)位置處(chu)放置兩(liang)個特性(xing)一緻的(de)霍爾傳(chuan)感器，兩(liang)個霍爾(er)💜傳感器(qi)的磁敏(min)感面互(hu)成900。霍爾(er)傳感器(qi)的輸出(chu)電壓爲(wei):
E1=K1·I1·B1·-sin θ
　　　E2=K2·I2·B2·sin (90°-θ)
　　　式中:
　　　K1、K2爲(wei)霍爾靈(ling)敏度系(xi)數;
　　　I1、I2爲霍(huo)爾元件(jian)的激勵(li)電流;
　　　B1 、B2爲(wei)霍爾傳(chuan)感器所(suo)處位置(zhi)的磁感(gan)應強度(du);
　　　θ爲磁力(li)線相對(dui)于霍爾(er)傳感器(qi)的磁敏(min)感面的(de)傾斜角(jiao)。
　　因爲兩(liang)個霍爾(er)傳感器(qi)選用特(te)性一緻(zhi)的同一(yi)型号‼️霍(huo)爾傳感(gan)器💚，采用(yong)同一激(ji)勵電流(liu)，處于同(tong)一高度(du)位置，所(suo)以有K1= K2, I1= I2，B1= B2。因(yin)此可得(de):
E1/ E2=sinθ/ sin (90°-θ)
　　　=sinθ/cosθ=tgθ
0=arctg(E1/ E2)
　　可見，由(you)E,, E2可求出(chu)磁力線(xian)的傾斜(xie)角。
　　由圖(tu)1可見，随(sui)着浮子(zi)上升，通(tong)過霍爾(er)傳感器(qi)的磁力(li)線的角(jiao)度順時(shi)針變化(hua)，因此求(qiu)出傾斜(xie)角θ就可(ke)以得❤️出(chu)浮子的(de)位移。
3單(dan)片機應(ying)用系統(tong)硬件設(she)計
　　單片(pian)機應用(yong)系統的(de)原理框(kuang)圖如圖(tu)2所示。系(xi)統控制(zhi)器爲一(yi)片MSP430F149單片(pian)機。M SP430F149的主(zhu)要特性(xing)與功能(neng)如下:
(1)超(chao)低電流(liu)消耗:具(ju)有CPUOFF和OSCOFF模(mo)式，可在(zai)電壓降(jiang)至1.8V情況(kuang)下工作(zuo)。
(2)基礎時(shi)鍾模塊(kuai):包括1個(ge)數控振(zhen)蕩器(DCO)和(he)2個晶體(ti)振蕩器(qi)。
(3)系統内(nei)置模塊(kuai):LCD驅動器(qi)、A/D轉換器(qi)、1/O口、USART串口(kou)、看門狗(gou)、定時器(qi)、硬🔆件🔅乘(cheng)法器、模(mo)拟比較(jiao)器、EPROM等。
(4) 16位(wei)RISC結構，125as指(zhi)令周期(qi)，等待方(fang)式進行(hang)喚醒的(de)時間爲(wei)61xso
(5)軟件可(ke)在RAM中運(yun)行。程序(xu)可通過(guo)UART或測試(shi)引腳裝(zhuang)入RAM，并能(neng)在🚶實時(shi)條件下(xia)運行。可(ke)降低試(shi)驗和調(diao)試的開(kai)銷。
(6)僅3種(zhong)指令格(ge)式，全部(bu)爲正交(jiao)結構，簡(jian)化了程(cheng)序的開(kai)發。ROM讀♋取(qu)、RAM存取⭐、數(shu)據處理(li)、I/O及其他(ta)外圍操(cao)作都使(shi)用公🏃共(gong)指令，無(wu)特殊指(zhi)令。
(7)系統(tong)工作穩(wen)定。上電(dian)複位後(hou)，首先由(you)DCOCLK啓動CPU，以(yi)保證程(cheng)序從正(zheng)确的位(wei)置開始(shi)執行，保(bao)證晶體(ti)振蕩器(qi)有足夠(gou)的起振(zhen)及穩定(ding)時間。如(ru)果晶體(ti)振蕩器(qi)在用作(zuo)CPU時鍾MCLK時(shi)發生故(gu)障，DCO會自(zi)動啓動(dong)，以保證(zheng)系👨‍❤️‍👨統正(zheng)常工作(zuo);如果程(cheng)序跑飛(fei)，看門狗(gou)可将其(qi)複位。
(8)具(ju)有高級(ji)語言編(bian)程能力(li)，已開發(fa)了C一編(bian)譯器，支(zhi)持JTAG仿真(zhen)。

　　線性霍(huo)爾傳感(gan)器将浮(fu)子位移(yi)轉換成(cheng)電壓信(xin)号，經🔴放(fang)大器💃放(fang)🔴大後，由(you)16位MCU進行(hang)運算處(chu)理和非(fei)線性修(xiu)正後求(qiu)得流量(liang)值🌏，一方(fang)面送LCD顯(xian)示器顯(xian)示，另一(yi)方面送(song)入DAC轉換(huan)成模拟(ni)㊙️量，再經(jing)輸出轉(zhuan)換電路(lu)轉換成(cheng)标準電(dian)流信号(hao)🐉輸出。另(ling)外，還可(ke)通過串(chuan)行通信(xin)接口RS485與(yu)上💞位機(ji)進行數(shu)🔞據交換(huan)。
4軟件設(she)計
　　軟件(jian)的主流(liu)程圖如(ru)圖3所示(shi)。單片機(ji)在上電(dian)和複位(wei)㊙️的時💘候(hou)，先要執(zhi)行初始(shi)化程序(xu)。然後，依(yi)次判斷(duan)功能模(mo)塊的标(biao)志位，當(dang)标志位(wei)有效時(shi)，執行該(gai)功能模(mo)塊的程(cheng)序，如标(biao)志🔅位無(wu)效🐉，則跳(tiao)過向下(xia)執行。當(dang)程序執(zhi)行到最(zui)後☔，再循(xun)環返回(hui)到初始(shi)化之後(hou)。

　　标準電(dian)流輸出(chu)模塊和(he)RS485串行通(tong)信模塊(kuai)标志位(wei)是由💛掃(sao)♈描撥♊碼(ma)開💚關部(bu)分所決(jue)定的;數(shu)據存儲(chu)部分通(tong)過不斷(duan)地讀‼️取(qu)時鍾芯(xin)片DS1307來判(pan)斷是否(fou)到了預(yu)先設定(ding)的存儲(chu)時間，到(dao)存儲時(shi)間後進(jin)入數據(ju)🈚存儲子(zi)程序。RS485通(tong)信實現(xian)了數據(ju)的🌈遠程(cheng)傳輸，人(ren)們不必(bi)🔆直接到(dao)現✊場去(qu)查看各(ge)種儀表(biao)的參數(shu)值，通過(guo)觀看通(tong)訊界面(mian)🚶即可獲(huo)得當前(qian)🔴和曆史(shi)數據。
5結(jie)束語
　　由(you)于采用(yong)霍爾傳(chuan)感器進(jin)行位移(yi)檢測，使(shi)流量計(ji)的轉換(huan)器不需(xu)要任何(he)可動的(de)機械零(ling)件，實現(xian)了全電(dian)子化和(he)小型化(hua)，大大降(jiang)低了回(hui)差;采用(yong)16位單片(pian)機進行(hang)線性修(xiu)正和運(yun)算，可使(shi)流量📞計(ji)的流量(liang)指示精(jing)确度由(you)2.0級提高(gao)到1.0級。
　　由(you)以上分(fen)析可見(jian)，由于采(cai)用霍爾(er)傳感器(qi)和16位單(dan)片機🏃🏻，使(shi)流量計(ji)實現了(le)小型化(hua)、數字化(hua)和智能(neng)化，提高(gao)🔞了流量(liang)計的精(jing)度，增📐加(jia)了流量(liang)計的功(gong)能，并使(shi)得現場(chang)總線型(xing)的流量(liang)計成爲(wei)可能。

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